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陀螺仪的选择:其机械性能是最重要的参数

[日期:2012-05-08] [来源:http://www.sbing.net/] [作者pcb抄板] [点击:]

    浏览高性能陀螺仪数据手册时,多数系统设计师关注的第一个要素是偏置稳定度规格。毕竟,它描述的是陀螺仪的分辨率下限,理所当然是反映陀螺仪性能的最佳指标!然而,实际的陀螺仪会因为多种原因而出现误差,使得用户无法获得数据手册中宣称的高偏置稳定度。的确,可能只有在实验室内才能获得那么高的性能。传统方法是借助补偿来最大程度地降低这些误差源的影响。本文将讨论多种此类技术及其局限性。最后,我们将讨论另一种可选范式——根据机械性能选择陀螺仪,以及必要时如何提高其偏置稳定度。
    环境误差
    所有中低价位的MEMS陀螺仪都有一定的时间-零点偏置和比例因子误差,此外还会随温度而发生一定的变化。因此,对陀螺仪进行温度补偿是很常见的做法。一般而言,陀螺仪集成温度传感器的目的就在于此。温度传感器的绝对精度并不重要,重要的是可重复性以及温度传感器与陀螺仪实际温度的紧密耦合。现代陀螺仪的温度传感器几乎毫不费力就能达到这些要求。
    许多技术可以用于温度补偿,如多项式曲线拟合、分段线性近似等。只要记录了足够数量的温度点,并且在校准过程中采取了充分的措施,那么具体使用何种技术是无关紧要的。例如,在每个温度的放置时间不足是一个常见的误差源。然而,无论采用何种技术,无论有多细心,温度迟滞——即通过冷却与通过加热达到某一特定温度时的输出之差——都将是限制因素。
    图1所示为陀螺仪ADXRS453的温度迟滞环路。温度从+25℃变为+130℃,再变为–45℃,最后回到+25℃,与此同时记录未补偿陀螺仪的零点偏置测量结果。加热周期与冷却周期中的+25℃零点偏置输出存在细微的差异(本例中约为0.2°/s),这就是温度迟滞。此误差无法通过补偿来消除,因为无论陀螺仪上电与否,它都会出现。此外,迟滞的幅度与所施加的温度“激励”量成比例。也就是说,施加于器件的温度范围越宽,则迟滞越大。
    图1. 经历温度循环(–45℃至+130℃)时未补偿ADXRS453的零点偏置输出
    如果应用允许启动时复位零点偏置(即无旋转时启动),或者在现场将零点偏置调零,则可以忽略此误差。否则,这就可能是偏置稳定度性能的一个限制因素,因为我们无法控制运输或存储条件。
    抗振
    理想情况下,陀螺仪仅测量旋转速率,无关其他。但实际应用中,由于机械设计不对称和/或微加工不够精确,所有陀螺仪都有一定的加速度敏感度。事实上,加速度敏感度有多种
    外在表现,其严重程度因设计而异。最显著的通常是对线性加速度的敏感度(或g敏感度)和对振动校正的敏感度(或g2敏感度)。由于多数陀螺仪应用所处的设备是绕地球的1 g重力场运动和/或在其中旋转,因此对加速度的敏感度常常是最大的误差源。
    成本极低的陀螺仪一般采用极其简单紧凑的机械系统设计,抗振性能未经优化(它优化的是成本),因而振动可能会造成严重影响。1000°/h/g(或0.3°/s/g)以上的g敏感度也不足为奇,比高性能陀螺仪差10倍以上!对于这种陀螺仪,偏置稳定度的好坏并无多大意义,陀螺仪在地球的重力场中稍有旋转,就会因为g和g2敏感度而产生巨大的误差。一般而言,此类陀螺仪不规定振动敏感度——默认为非常大。
    较高性能的MEMS陀螺仪则好得多。表1列出了几款高性能MEMS陀螺仪的数据手册所列规格。对于这一类别中的多数陀螺仪,g敏感度为360°/h/g(或0.1°/s/g),某些低于60°/h/g,远远优于极低成本的陀螺仪。但是,对于小到150 mg(相当于8.6°倾斜)的加速度变化,即使其中最好的陀螺仪也会超出其额定偏置稳定度。
    有些设计师试图利用外部加速度计来补偿g敏感度(通常是在IMU应用中,因为所需的加速度计已经存在),这在某些情况下确实可以改善性能。然而,由于多种原因,g敏感度补偿无法获得完全的成功。大多数陀螺仪的g敏感度会随振动频率变化而变化。图2显示了Silicon Sensing CRG20-01陀螺仪对振动的响应。注意,虽然陀螺仪的敏感度在额定规格范围内(在一些特定频率处略有超出,但这些可能不重要),但从DC到100 Hz,其变化率为12:1,因此无法简单地通过测量DC时的敏感度来执行校准。确实,补偿方案将非常复杂,要求根据频率改变敏感度。
    图2. Silicon Sensing CRG20-01对不同正弦音的g敏感度响应
    作为对比,图3显示的是陀螺仪ADXRS646在相似条件下的响应。事实上,有些陀螺仪比其它陀螺仪更容易进行g敏感度补偿。不过遗憾的是,数据手册几乎从不提供此类信息,必须由用户去探索,而且可能极耗精力,但在系统设计过程中,常常没有时间等待惊喜出现。
    图3. Analog Devices ADXRS646对随机振动(15 g rms, 0.11 g2/Hz)的g敏感度响应,1600 Hz滤波
    另一个困难是将补偿加速度计和陀螺仪的相位响应相匹配。如果陀螺仪和补偿加速度计的相位响应匹配不佳,高频振动误差实际上可能会被放大!由此便可得出另一个结论:对于大多数陀螺仪,g敏感度补偿仅在低频时有效。
    振动校正常常不作规定,原因可能是差得令人难堪,或者不同器件差异巨大。pcb抄板也有可能只是因为陀螺仪制造商不愿意测试或规定(公平地说,测试可能比较困难)。无论如何,振动校正必须引起注意,因为它无法通过加速度计进行补偿。与加速度计的响应不同,陀螺仪的输出误差会被校正。
    改善g2敏感度的最常见策略是增加一个机械抗振件,如图4所示。图中显示的是一个从金属帽壳封装中部分移出的Panasonic汽车陀螺仪。该陀螺仪组件通过一个橡胶抗振件与金属帽壳隔离。抗振件非常难以设计,因为它在宽频率范围内的响应并不是平坦的(低频时尤其差),而且其减振特性会随着温度和使用时间而变化。与g敏感度一样,陀螺仪的振动校正响应可能会随频率变化而变化。即使能够成功设计出抗振件以衰减已知频谱下的窄带振动,此类抗振件也不适合可能存在宽频振动的通用应用。
    机械滥用引起的主要问题
    许多应用中会发生常规性短期滥用事件,这些滥用虽然不致于损伤陀螺仪,但会产生较大误差。下面列举几个例子。
    有些陀螺仪可以承受速率过载而不会表现异常。图5显示了Silicon Sensing CRG20陀螺仪对超出额定范围大约70%的速率输入的响应。左边的曲线显示的是旋转速率从0°/s变为500°/s再保持不变时CRS20的响应情况。右边的曲线则显示的是输入速率从500°/s降为0°/s时该器件的响应情况。当输入速率超出额定测量范围时,输出在轨到轨之间紊乱地摆动。
    图5. Silicon Sensing CRG-20对500°/s速率输入的响应
    有些陀螺仪在经受哪怕只有数百g的冲击时,也会表现出“锁定”的倾向。例如,图6显示的是VTI SCR1100-D04在经受250 g 0.5 ms冲击时的响应情况(产生冲击的方法是让一个5 mm钢球从40 cm的高度落在陀螺仪旁边的PCB上)。陀螺仪未因冲击而损坏,但它不再响应速率输入,需要关断再上电以重新启动。这并非罕见现象,多种陀螺仪都存在类似的行为。检查拟用的陀螺仪是否能承受应用中的冲击是明智的。
    图6. VTI SCR1100-D04对250 g、0.5 ms冲击的响应
    显然,此类误差将大得惊人。因此,必须仔细找出给定应用中可能存在哪些滥用情况,并且验证陀螺仪是否能经受得住。

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